Вдохновленные биологией носовых рецепторов собак, ученые UC Santa Barbara разработали чип, способный быстро идентифицировать следы молекул пара.
Портативные, точные и высокочувствительные устройства, которые обнюхивают пары от взрывчатых веществ и других веществ, могут стать такими же обыденными, как детекторы дыма в общественных местах, благодаря исследователям из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Исследователи из UCSB во главе с профессорами Карлом Мейнхартом из машиностроения и инженером Мартином Московитом разработали детектор, который использует микрожидкостные нанотехнологии для имитации биологического механизма рецепторов запаха собак. Устройство обладает высокой чувствительностью к следовым количествам некоторых молекул пара и способно отличить конкретное вещество от подобных молекул.
«Собаки по-прежнему являются золотым стандартом для обнаружения запаха взрывчатых веществ. Но, как человек, у собаки может быть хороший день или плохой день, устать или отвлечься », – сказала Майнхарт. «Мы разработали устройство с такой же или лучшей чувствительностью, как нос собаки, который питается компьютером, чтобы точно сообщать, какую молекулу он обнаруживает». Ключ к их технологиям, пояснил Майнхарт, заключается в слиянии принципов с машиностроением и химии в сотрудничестве, которое стало возможным благодаря Институту совместных биотехнологий UCSB.
Результаты, опубликованные в этом месяце в аналитической химии, показывают, что их устройство может обнаруживать воздушные молекулы химического вещества, называемого 2,4-динитротолуолом, основным парам, исходящим из взрывчатых веществ на основе ТНТ. Человеческий нос не может обнаружить такие мельчайшие количества вещества, но собаки «сниффера» уже давно используются для отслеживания этих типов молекул. Их технология вдохновлена биологическим дизайном и микромасштабным размером слоя обонятельной слизи собаки, который поглощает и затем концентрирует молекулы, переносимые в воздухе.
«Устройство способно обнаруживать и идентифицировать определенные типы молекул в режиме реального времени в концентрациях 1 ppb или ниже. Его специфичность и чувствительность не имеют себе равных », – сказал д-р Брайан Пиорек, бывший докторант машиностроения в лаборатории Мейнхарта и главный научный сотрудник SpectraFluidics, Inc в Санта-Барбаре. Технология запатентована и эксклюзивно лицензирована для SpectraFluidics, компании, которую Piorek был соучредителем в 2008 году с частными инвесторами.
«Наш исследовательский проект не только объединяет различные дисциплины, чтобы развить что-то новое, но также создает рабочие места для местного сообщества и, надеюсь, приносит пользу обществу в целом», – прокомментировал Майнхарт.
Упакованная на кремниевом микрочипе с размером отпечатка пальца и изготовленная в ультрасовременном чистом помещении UCSB, базовая технология сочетает в себе микрофлюидику с поверхностной поверхностью и спектроскопию комбинационного рассеяния на поверхности (SERS) для захвата и идентификации молекул. Микромасштабный канал жидкости поглощает и концентрирует молекулы до шести порядков. Как только молекулы пара поглощаются в микроканале, они взаимодействуют с наночастицами, которые усиливают свою спектральную подпись при возбуждении лазерным излучением. Компьютерная база данных спектральных сигнатур определяет, какая молекула была захвачена.
«Устройство состоит из двух частей, – объяснил Московит. «Существует микроканаль, который похож на крошечную реку, которую мы используем, чтобы заманить молекулы и представить их в другую часть, мини-спектрометр, на котором работает лазер, который их обнаруживает. Эти микроканалы в двадцать раз меньше толщины человеческого волоса ».
«Эта технология может использоваться для обнаружения очень широкого спектра молекул», – сказала Майнхарт. «Заявки могут распространяться на определенные диагнозы болезней или выявление наркотиков, чтобы назвать некоторые».
Московиц добавил: «В опубликованной нами статье основное внимание уделялось взрывчатым веществам, но это не должно быть взрывчаткой. Он мог обнаружить молекулы от чьего-то дыхания, которое может указывать на болезнь, например, или на испорченную пищу ».
Фундаментальные исследования были разработаны в рамках междисциплинарного сотрудничества между профессорами Мейнхартом и Московитом и проводились бывшими докторантами доктором Пиореком и доктором Синг-Джоном Ли. Их проект частично финансировался Институтом совместных биотехнологий UCSB через Исследовательский офис армии и DARPA.